Comportamento mecânico do aço inoxidável a altas temperaturas

Capítulo 2 - O aço inoxidável

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2. O aço inoxidável

2.1. Considerações gerais

Existem várias Classes de aço inoxidável que de acordo com a sua estrutura metalúrgica é classificado em 5 grupos: martensíticos, ferríticos, austeníticos, austeníticos/ferríticos (duplex) e endurecidos por precipitação (Euro Inox, 2006). Estes tipos de aço inoxidável diferem na sua composição química como mostra a Figura 2.1. Note-se que o aço que apresenta maior percentagem de níquel é o austenítico, e o que apresenta a menor percentagem é o ferrítico.

Figura 2.1 – Tipos de aço inoxidável (ESDEP, 2000)

Os austeníticos fornecem uma boa combinação de corrosão e resistência às cargas. Os ferríticos ao terem uma baixa percentagem de Níquel origina a que o seu preço reduza, mantendo uma boa resistência à corrosão assim como a sua resistência estrutural. Os aços inoxidáveis duplex possuem uma elevada resistência estrutural e resistência ao desgaste, e uma boa resistência à corrosão sob tensão. Os grupos mais usados de aços inoxidáveis são o 1.4301 (também conhecido como 304) e o 1.4401 (conhecido como 316), que são austeníticos. Este grupo é o mais usado nas aplicações estruturais mas recentemente houve um aumento do uso dos ferríticos para propostas estruturais que mencionavam grandes vantagens noseu uso (Rossi, 2010).

O preço de mercado do aço austenítico é alto e isso deve-se fundamentalmente ao preço elevado no níquel. Normalmente esta categoria de aço inoxidável é composta por 8-13% de níquel, contrariamente aos ferríticos que é bem mais reduzida (Euro Inox, 2006). Desta forma estes últimos, mais recentemente, têm uma maior procura na sua utilização.

12 Pedro Sacramento Santos Gamelas Aliado ao custo inicial elevado deste material, existem também outros fatores preponderantes para a menor utilização deste material comparativamente ao aço de carbono: regras de dimensionamento limitadas, número reduzido de secções disponíveis e falta de conhecimento dos benefícios adicionais da sua utilização como material estrutural, promove a não utilização dos mesmos pelos projetistas. conduz a que os projetistas não o utilizem (Gardner, 2005).

A condutibilidade térmica deste material é bem mais baixa que a do aço de carbono. Contudo, a condutibilidade térmica do aço inoxidável aumenta a temperaturas elevadas, que excede o valor do aço carbono aos 1000ºC (Ervedal, 2011).

O aço inoxidável é bastante resistente à corrosão quando sujeitos a ambientes mais agressivos (Palacios, 2005) e por isso tem sido utilizado em estruturas localizadas à beira mar, instalações nucleares, químicas, petrolíferas e de águas residuais. Esta resistência resulta de facto de este material conter na sua base uma camada de óxido rica em crómio que se forma espontaneamente à superfície na presença do ar (oxigénio), que quando é danificado (se risca ou corte) a camada superficial regenera-se imediatamente na presença do oxigénio. Outra das características específicas do aço inoxidável é o fato da relação tensão-extensão não ter uma forma linear, contrariamente ao que se sucede no aço de carbono. Desta forma, a tensão de cedência, mesmo não sendo bem definida, é considerada no limite convencional de elasticidade de 0.2%.

A Tabela 2.1 compara as características mecânicas mecânicas do aço inoxidável 1.4301 com as do aço de carbono S235 (CEN, 2005a, 2006a).

Tabela 2.1- Comparação das propriedades dos aços S235 e 1.4301 à temperatura ambiente

Propriedades mecânicas Aço carbono S235

Aço inoxidável 1.4301

Tensão de rotura (MPa) 360 520

Tensão convencional de cedência (MPa) 235 210

Extensão após rotura >15% 40%

A parte EN 1993 1-4 apresenta alguns dos tipos de aço inoxidáveis existentes de acordo com a EN 10088-2 (CEN, 2005c):

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Tabela 2.2 - Tipos de aço inoxidável com as classes correspondentes (CEN, 2005c)

Ferríticos 1.4003, 1.4016, 1.4512 Austeníticos 1.4306, 1.4307, 1.4541, 1.4301, 1.4401, 1.4404, 1.4539, 1.4571, 1.4432, 1.4435, 1.4311, 1.4406, 1.4439, 1.4529, 1.4547, 1.4318 Austeníticos-ferríticos 1.4362, 1.4462

De acordo com a mesma norma, estes aços inoxidáveis são também classificados conforme as necessidades de resistência à corrosão como mostra a Tabela 2.3. Esta tabela é utilizada como auxílio aos projetistas de forma a, dependendo da localização do elemento e do ambiente a que está sujeito, utilizar a classe de aço mais adequada.

Tabela 2.3 - Aplicação em função das necessidades de resistência à corrosão (CEN, 2005c)

Classe do aço inoxidável

Rural Urbana Industrial Marinha B M A B M A B M A B M A 1.4003 v1 x x v1 x x x x x x x x 1.4301 v v v v v (v) (v) (v) x v (v) x 1.4401, 1.4404, 1.4571 o o o o v v v v (v) v v (v) 1.4462 o o o o o o o o v o o v Sendo:

 B - ambiente pouco corrosivo;

 M - ambiente medianamente corrosivo;

 A - ambiente altamente corrosivo;

 o - excessivamente corrosivo;

 v - indicado;

 (v) - indicado se tomadas precauções;

 v1 - indicado em apenas aplicações interiores;

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2.2. Aplicações Estruturais

Os aços inoxidáveis são utilizados em diversos tipos de aplicações estruturais (bem como em aplicações não estruturais), de modo a aproveitar todas as suas vantagens em relação ao aço carbono.

Está representado na Figura 2.2, um exemplo de uma habitação desenvolvida apenas com elementos estruturais de aço inoxidável, desde a sua fase de construção até ao resultado final.

a)

b) c) Figura 2.2 - Edifício residencial de aço inoxidável, Finlândia a) Fase final; b) Fase de construção; c) Vista interior (EuroInox, 2000)

Para além da utilização em edifícios de pequenas dimensões, o aço inoxidável é também usado para edifícios de grande porte. A Figura 2.3.(EuroInox, 2000) representa um prédio com um número elevado de andares e onde se observa, em grande parte dos elementos estruturais utilizados, o aço inoxidável.

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a) b)

Figura 2.3 - Sanomatalo Building, Finlândia a) Vista exterior; b) Vista interior (EuroInox, 2000)

Aliando a conceção estrutural com a não estrutural, é possível observar na Figura 2.4 uma estação de autocarros em Londres. Mais um exemplo em como este material é vantajoso devido às suas característcas mecânicas e ainda usufruir do seu potencial arquitetónico.

a)

b) Figura 2.4 - Wauxhall Cross Bus station, Londres a) Perspetiva 1; b) Perspectiva 2 (EuroInox, 2000)

Na Figura 2.5 apresenta-se um outro exemplo em que o aço inoxidável é utilizado, neste caso em elementos estruturais. O edifício representado é uma estação de tratamento de águas, situada em Londres. As vigas de aço inoxidável representadas na figura (ainda na

16 Pedro Sacramento Santos Gamelas fase de construção do edifício), sendo possivelmente de Classe 4 (objeto de estudo da presente dissertação), servem para suportar tanques de grande porte (estes dando auxílio ao próprio processo de tratamento das águas.

a)

a)

b) Figura 2.5 - Thames Gateway Water Treatment Water Works, Londres

a) Aplicação de 2 vigas; b) Fase de construção; c) Perspetiva na parte inferior (EuroInox, 2000)

2.3. Comportamento mecânico do aço inoxidável a altas

temperaturas

O aço inoxidável (assim como o carbono) quando sujeito a temperaturas elevadas sofre alterações das suas propriedades mecânicas. Com o aumento da temperatura verificam- se reduções na sua resistência e rigidez que tipicamente designam-se por tensão de cedência e módulo de elasticidade linear (CEN, 2005b), como é constatado pelo Anexo C da EN 1993-1-2.

Segundo o EN 1993-1-2, a Figura 2.6 corresponde à representação da relação tensão- extensão do aço inoxidável a altas temperaturas. Está também representado o modo

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como se determina uma tensão ou mesmo extensão sabendo uma destas variáveis (a partir do ângulo representado na figura).

Figura 2.6 – Relação tensão-extensão do aço inoxidável a altas temperaturas (CEN, 2005b)

Nesta relação é possível distinguir-se duas zonas: a primeira é uma zona quase linear até à tensão limite de proporcionalidade de tensão e a segunda é uma curva até à

tensão última .

De realçar que a tensão de cedência e o módulo de elasticidade E não estão bem definidas, pois o gráfico representativo da lei constitutiva do material é sempre não linear (Lopes & Vila Real, 2011).

Onde é a inclinação da reta que representa o domínio elástico, representa a inclinação da tensão limite convencional de proporcionalidade, é a extensão total na tensão limite convencional de proporcionalidade e a representa a extensão última.

A EN 1993-1-4, que fornece as normas para elementos estruturais de aço inoxidável a frio, refere que a resistência ao fogo é dada pela EN 1993-1-2. Na Figura 2.7 é apresentado a comparação da relação tensão-extensão entre o aço carbono S235 e o aço inoxidável 1.4301 de acordo com a fórmula da lei constitutiva dada por esta parte do Eurocódigo 3 (Lopes et al, 2012).

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Figura 2.7 – Comparação da relação tensão-extensão para o aço carbono S235 e aço inoxidável 1.4301 a 600ºC (Lopes et al, 2012)

Ao analisar esta Figura 2.7, percebe-se que estes aços possuem um comportamento ao fogo diferente entre eles. O aço carbono apresenta um comportamento linear elástico até atingir a tensão de cedência, seguindo-se uma zona de patamar até à tensão de endurecimento (CEN, 2005b). A curva de aço inoxidável possui uma forma mais curva, sendo mais difícil perceber onde é a tensão de cedência comparativamente ao aço carbono. Para tal, segundo a EN 1993-1-2, a tensão definida do aço inoxidável é determinada a partir de um limite de elasticidade definido para uma extensão de 0,2%, apesar de existir estudos recentes onde propõem que o valor desta extensão para secções transversais de Classe 4 em aço de carbono é de 2% em vez do 0,2% (Couto et al, 2013).

Estudos recentes avaliaram as leis constitutivas do aço inoxidável a altas temperaturas e propuseram fórmulas diferentes (Gardner et al, 2010) e (Chen & Young, 2006). No entanto, como esta dissertação tem como objetivo avaliar a metodologia do Eurocódigo 3, irão ser utilizadas as relações existentes da mesma no que se refere à variação de tensão-extensão.

Consultando a EN 1993-1-1 e a EN 1993-1-4, e na comparação das tensões de cedência entre o um aço inoxidável 1.4301 ( MPa) e um aço carbono S235 ( 235MPa), observa-se que mesmo a tensão de cedência sendo maior no aço carbono não é suficiente para um melhor comportamento deste. Tal se sucede devido ao aço carbono S235 possuir uma plastificação sem endurecimento, enquanto o aço inoxidável 1.4301 possui uma plastificação com endurecimento.

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Na Figura 2.8 observa-se que a variação do fator de redução da tensão limite do

aço inoxidável de classe 1.4003 com a temperatura é diferente de todas as outras classes do aço inoxidável (CEN, 2005b).

Figura 2.8 – Comparação do entre as várias classes de aço inox e o aço carbono (CEN, 2005b)

A variação do fator de redução do módulo de elasticidade com a temperatura é

mostrada na Figura 2.9, onde se observa também a comparação entre o aço inoxidável e o aço carbono. Nota-se claramente nesta figura, assim como tem sido afirmado durante a presente dissertação, o melhor comportamento mecânico do aço inoxidável a altas temperaturas ao nível do módulo de elasticidade do material.

Figura 2.9 – Comparação do entre o aço inox e o aço carbono (CEN, 2005b)

Em suma, o aço inoxidável exibe um melhor comportamento, comparativamente ao aço carbono, nomeadamente em termos mecânicos a altas temperaturas. As maiores

20 Pedro Sacramento Santos Gamelas diferenças existem nas propriedades mecânicas, onde há uma alta ductilidade e menores reduções da tensão de cedência e do módulo de elasticidade devido à temperatura.

Capítulo 3

Cálculo Estrutural para vigas

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